故障电弧探测及保护装置的研究与开发

刘易

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

故障电弧探测及保护装置的研究与开发

刘易

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

故障电弧是电气火灾发生的主要诱因之一，而传统保护开关却无法识别故障电弧的发生。故障电弧探测及保护装置能够及时检测出线路中出现的故障电弧，从而消除线路中绝大部分由此而引发的火灾。对故障电弧的特性进行了实验分析，根据这些特性，确定了故障电弧探测器的检测方法，并进行了硬件和软件的设计。此外，对研制的故障电弧探测器进行了测试，实验结果表明，故障电弧检测的准确率达到99%，主要性能指标满足国家标准GB 31143—2014的要求。

故障电弧；火灾；伏安特性；可燃物

随着我国经济的飞速发展，各类电气设备已被普遍应用到人们生活的方方面面。房屋或其他场所的设备和电气线路，比如插座、各种设备的电源线以及家用电器内部的线路等，因为长期的过负荷工作或存在接触不良等情况，使得电线的绝缘层破损或出现老化现象，这些情况都有可能产生故障电弧，而故障电弧会引起电气火灾。各种相关研究表明，故障电弧电流大小在2～10 A的范围内就可以产生2 000～4 000℃的局部高温，足可以使任何可燃物燃烧。故障电弧探测器，能够在早期检测出线路中绝大部分的电气火灾隐患。

1 故障电弧的特性与检测方法

1.1 故障电弧特性的实验分析

故障电弧电学特性的实验分析：将80 Ω/400 W的变阻器作为负载，由AC220 V/50 Hz的交流电源对故障电弧模拟发生器及负载供电。当试验线路正常工作时，利用示波器记录此时电弧发生装置两端的电压电流波形。

由电弧发生装置两端的电压电流波形可以看出：①电压和电流波形具有高频噪声。②产生故障电弧时电压、电流幅值均降低。③电流变化的斜率比不发生故障电弧时大。④故障电弧的起弧特性。在电流波形过零点前一小段时间内熄灭，在过零点后一小段时间内再次燃弧，所以，在过零点附近就出现了一段近似平坦的波形，将其称为肩平部分。⑤故障电弧的产生具有随机性。

1.2 检测算法

针对高次谐波设计了带通滤波器；针对电流有效值减小进行了AD采样，并与阈值比较；针对电流斜率增大，设定了阈值并比较；针对平肩特性，通过检测采样电流信号一个周期平肩点的个数，超过所设定的阈值时判断为故障电弧；针对随机性，采用了三周期算法。

2 故障电弧探测及保护装置的硬件设计

2.1 方案设计

故障电弧探测器的硬件设计为：整个系统是个非常典型的嵌入式系统，以TI公司的DSP芯片TMS320F28035为控制核心，其速度快、成本低，完全能满足系统要求。具体的工作原理如下。

通过DSP28035对线路中的电压电流进行AD快速采样，并判断是否具有故障电弧的特征。如果满足故障电弧的特征，即被认定为故障电弧开始计数，当在1 s内累计出现了8个故障电弧信号时，则立即启动脱扣机构触发微型断路器跳闸切断电源，以防止电气火灾的发生。

2.2 微控制器的选型

TMS320F28035是TI公司2009年推出的C2000系列的DSP控制芯片，具有以下特点：①3.3 V单电源供电，哈佛总线（Harvard）架构；②多达45个复用通用输入输出（GPIO）引脚，3个32位CPU定时器；③片载存储器：闪存、SRAM、OTP、引导ROM。

2.3 电源电路

将AC220 V/50 Hz的交流电源经过变压、整流、滤波、稳压转换成+5 V、+3.3 V的供电电压。其中，VCC为3.3 V，给DSP及其相关电路供电；5 V给部分模拟电路供电，这部分电路主要是一个带通滤波器。

2.4 信号处理电路

双路变压器的二次侧绕组（9～10）用于交流输入电压的检测，先将交流电压整流成脉动的直流（电容C1只是滤掉高频分量），经电阻R2、R3分压后，送给调理电路（U3A及其附属电阻电容元件），最终变成0～3 V的电压，送至DSP的AD端。

2.5 带通滤波器电路

交流故障电弧的频率范围约为1.66～19.8 kHz，据此设计带通滤波器，由低通滤波器和高通滤波器组成。高通滤波器允许输入信号中高于截止频率的高频或直流分量通过，抑制低频分量；低通滤波器允许输入信号中低于截止频率的低频或直流分量通过，抑制高频分量。

2.6 继电器控制电路

采用NPN型三极管来驱动继电器。当IO口输出由高电平变为低电平时，三极管由饱和状态变为截止，这样继电器电感线圈中的电流没有通路释放能量。如果不加续流二极管D，则电感线圈两端将会产生很大的反向电动势，极性为下正上负，这个反向电动势加上5 V电源电压足以击穿三极管。

2.7 过零点检测电路

U3B及其附属电路构成一个比较器，目的在于输入给DSP一个方波信号，从而检测故障电弧电压信号的过零点，所采用的运放是MCP6002。如果采集到的电压大于比较值，则运放输出低电平；如果采集到的电压小于比较值，则运放输出高电平。

3 故障电弧探测及保护装置的软件设计

故障电弧探测及保护装置的软件设计以硬件为基础，使用C语言编写，所有子程序都使用模块化编程，便于以后的软件升级和调用。为了实现故障电弧检测功能，软件设计包括信号采集、信号处理、故障检测和脱扣控制等部分。

故障电弧特征检测子程序，程序代码如下：

tca=Get_abs_value（vn0，vn2）+Get_abs_value（vn2，vn1）；

tca1=Get_abs_value（vn1，vn0）；

tca=Get_abs_value（tca，tca1）；

如果半周期存在电弧脉冲（cycle_pulse_num〉0），则执行脉冲相位判断函数Arc_PulsePhase_Judge（）。如果满足条件，则电弧事件加1；进行均方根值的TCA值判断，如果maxvalue1＞25，则电弧事件加1；进行平肩特征判断，如果满足条件，则电弧事件加1。电弧事件累加的具体程序代码如下：

Acr_event++；

if（Acr_event〉=15）

Acr_event=15；

Acr_count_avl[Acr_event]=cmp1_count；

write_Acr_pt++；

if（write_Acr_pt〉=（Acr_count_avl+15））

{

int_val（）；

}

Maxcycle_count++；

当满足以下两个条件中的任意一个时，则判定发生了故障电弧：①存在高频脉冲（State1）、满足相位特征（State6）、满足平肩特征（State2）；②存在高频脉冲（State1）、满足相位特征（State6）、满足三周期特征（State4）。

4 故障电弧探测器的试验

将研制出来的故障电弧探测及保护装置接入负载抑制性试验线路中，进行测试，具体结果如下。

4.1 负载为纯电阻

当线路正常工作时，AFDD不发生误动作；当发生电弧故障时，AFDD的断开时间为0.208 4 s，满足规定的AFDD分断时间极限值的要求，断开时间如图1所示。

图1 负载为变阻器时AFDD的断开时间

4.2 负载为荧光灯

当线路正常工作时，AFDD不发生误动作；当发生电弧故障时，AFDD的断开时间为0.128 0 s，满足规定的AFDD分断时间极限值的要求。

4.3 负载为卤素灯

当试验线路正常工作时，AFDD不发生误动作；当发生电弧故障时，AFDD的断开时间为0.289 0 s，满足规定的AFDD分断时间极限值的要求，断开时间如图2所示。

图2 负载为卤素灯时AFDD的断开时间

4.4 负载为吸尘器

当试验线路正常工作时，AFDD不发生误动作；当发生电弧故障时，AFDD的断开时间为0.122 6 s，满足规定的AFDD分断时间极限值的要求，断开时间如图3所示。

经过测试，研制出来的故障电弧探测及保护装置满足GB 31143—2014中的条款9.9.4.2，以及其他条款规定的要求，能够准确地识别出故障电弧，同时不发生误动作。

图3 负载为真空吸尘器时AFDD的断开时间

5 主要成果及结论

本项目根据故障电弧发生时表现出的多种特性研制了一款220 V/32A的故障电弧探测及保护装置，并搭建了实验平台，对真空吸尘器、电动机、荧光灯、电钻等抑制性负载进行实验。实验结果表明，本装置准确率达99%，无误判，动作时间符合国家标准要求，是一款高可靠性、高准确率、低成本的故障电弧探测及保护置，能够为故障电弧探测及保护装置的大面积推广应用奠定基础，从而为降低因故障电弧而引起的电气火灾的发生概率起到促进作用。

［1］卢其威，王聪，程红，等.电弧故障断路器及故障电弧的辨别［J］.电气应用，2009（24）.

TM501

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.115

2095－6835（2017）20－0115－03

〔编辑：张思楠〕